Modélisation hydro-sédimentaire du Rhône à l’aide des modèles numériques Mage et Adis-TS

HAL Id: hal-02597381

https://hal.inrae.fr/hal-02597381

Submitted on 15 May 2020

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Modélisation hydro-sédimentaire du Rhône à l’aide des

modèles numériques Mage et Adis-TS

E. Andries, B. Camenen, J.B. Faure, Jérôme Le Coz, M. Launay

To cite this version:

E. Andries, B. Camenen, J.B. Faure, Jérôme Le Coz, M. Launay. Modélisation hydro-sédimentaire du Rhône à l’aide des modèles numériques Mage et Adis-TS. [Rapport de recherche] irstea. 2012, pp.73. �hal-02597381�

M

ODÉLISATION

 

HYDRO

­

SÉDIMENTAIRE

 

DU

 R

HÔNE

 

À

 

L

’

AIDE

 

DES

 

MODÈLES

 

NUMÉRIQUES

 M

AGE

 

ET

 A

DIS

­TS

Auteurs : 

E. Andries, B. Camenen, J.­B. Faure, J. Le Coz, M. Launay Irstea Lyon, Unité de Recherche Hydraulique Hydrologie

T

ABLE

 

DES

 

MATIÈRES  1 Introduction...6  1.1 Contexte de l'Étude...6  1.1.1 Projet Axelera PCB...6  1.1.2 Travail réalisé par Irstea...6  1.2 Les PCB (PolyChloroBiphényles)...8  2 Le Rhône...10  2.1 Hydrologie...11  2.2 Transport solide et sédimentaire...13  2.2.1 Transit par suspension...14  2.2.2 Transit par charriage...15  3 Chasses du Rhône à l’aval de Genève...17  3.1 Introduction...17  3.2 Historique des chasses...18  3.3 Cadre administratif de la chasse de mai 2012...19  4 Mode de gestion des ouvrages du Rhône...21  4.1 Objectifs...21  4.2 Principe de gestion des plans d’eau...21  5 La modélisation hydro­sédimentaire du Rhône...24  5.1 Modèle hydraulique 1D : Mage...24  5.2 Modèle 1D d’advection­diffusion : Adis­TS...25  5.2.1 Description générale du modèle...25  5.2.2 Calcul des termes sources pour un lit composé...25  5.2.3 Calcul du coefficient de dispersion...26  5.3 Site pilote de Miribel­jonage...27  5.4 Site pilote de la lône du beurre...28  5.5 Modèle du Rhône de la frontière Suisse à l'Isère...29  6 Recueil des données...30  6.1 Données topographiques et bathymétriques...30  6.1.1 Origine des données...30  6.1.2 Problèmes et limites...30  6.2 Données hydrologiques...32  6.2.1 Conditions aux limites entrantes...32  6.2.2 Apports ponctuels...35  6.2.3 Condition à la limite aval...36  6.3 Données sédimentaires...36  6.3.1 Caractéristiques des sédiments...37  6.3.2 Concentration sédimentaire...37  7 Mise en place du modèle hydraulique : paramétrisation...39  7.1 Présentation...39  7.2 Coefficients de Strickler...40  7.3 Répartition des débits aux diffluences...41  7.3.1 Répartition des débits pilotée par un barrage...42  7.3.2 Répartition des débits à une diffluence « naturelle »...43  7.4 Les casiers de stockage...43  7.5 Les ouvrages hydrauliques...43

 7.5.1 Modélisation des ouvrages...43  7.5.2 Consignes d’exploitations...45  7.5.3 Débits d’aménagement...45  8 Exemple de résultats obtenus avec PamHyr Mage...46  8.1 Ligne d'eau...46  8.2 Comparaison de lignes d'eau...47  8.3 Hydrogramme : propagation d'une crue...47  9 Modélisation du transport de sédiments fins : paramétrisation...49  9.1 Principales caractéristiques...49  9.1.1 Type de sédiments...49  9.1.2 Diamètre moyen...49  9.1.3 Masse volumique...49  9.1.4 Porosité...50  9.2 Coefficient cinétique de disparition du soluté...50  9.3 Coefficients de diffusion...50  9.4 Conditions aux limites et Conditions initiales...51  9.4.1 Conditions aux limites et apports ponctuels...51  9.4.2 Conditions initiales...51  10 Simulations et résultats hydro­sédimentaires...52  10.1 Simulation 1 : État de référence, apports constants en débit et en MES...52  10.1.1 Apports en eau et en MES...52  10.1.2 Résultats...52  10.2 Simulation 2 : Pollution sur un affluent et diffusion...55  10.2.1 Apports du Rhône en eau et en MES...55  10.2.2 Résultats...55  10.3 Simulation 3 : Chasse de 2003...56  10.3.1 Apports du Rhône en eau et en MES...57  10.3.2 Premiers résultats et calage...59  10.3.3 Résultats, dépôts et concentrations...63  11 Conclusions...67  11.1 Conclusion sur le nouveau logiciel de transport de sédiments, Adis­TS...67  11.2 Conclusion sur le modèle du Rhône amont ...67  11.3 Perspectives...67  11.3.1 Amélioration du modèle...67  11.3.2 Améliorations hydrauliques...68  11.3.3 Améliorations sédimentaires...68  12 Références...70  13 Annexes...72  13.1 Coefficients de Strickler utilisés sur l'ensemble du modèle...72

I

NDEX

 

DES

 

TABLES Tableau   1:   Coefficients   a,   b   et   c   pour   les   formules   du   coefficients   de   dispersion.  ...26

Tableau 2: Liste des données disponibles pour le Rhône , l’Ain et la Saône et ses affluents, de  l’amont à l’aval, présents sur la zone d’étude...32

Tableau 3 : Débits caractéristiques du Rhône à Pougny (loi de Galton ­ janvier  à décembre) ­  données calculées sur 86 ans...33 Tableau 4 : Débits caractéristiques de l’Ain au Pont de Port Galland (loi de Galton ­ janvier  à  décembre) ­ données calculées sur 53 ans...34 Tableau 5 : Débits caractéristiques de la Saône à Couzon­Au­Mont­d'Or...35 Tableau 6: Liste des données disponibles pour les affluents du Rhône de l’amont à l’aval, présents  sur la zone d’étude à l’exception de l’Ain et la Saône présentés au tableau 5, ainsi que leurs apports  ponctuels définis pour le modèle (Données issues de la Banque Hydro)...36 Tableau 7: Frottements définis pour le tronçon du canal de Miribel aval...40 Tableau 8 : Les différents types d’ouvrages modélisés...44 Tableau 9: Liste et caractéristiques des ouvrages présent sur la partie du Rhône modélisé (les lois de  modélisation sont présentées dans le Tab. 8)...44 Tableau 10: Débits d’aménagements de la CNR...45

Tableau   11:   Caractéristiques   des   sédiments   du   Rhône   à   Jons   utilisés   pour   la   modélisation.  ...50

Tableau 12: Strickler utilisés en fonction des pk et des biefs...72

I

NDEX

 

DES

 

ILLUSTRATIONS Figure 1: Localisation des sites pilotes et principaux ouvrages du Rhône aux alentours, (Étude  globale   pour   une   stratégie   de   réduction   des   risques   dus   aux   crues   du   Rhône,   Institution  Interdépartementale des bassins Rhône­Saône)...8 Figure 2: Structure chimique des polychlorobiphényles, source Wikipédia...9 Figure 3: Carte des aménagements du Rhône, CNR...10 Figure 4: Le Rhône à Beaucaire, Banque Hydro...11 Figure 5: Le Rhône à Pougny, Banque Hydro...12 Figure 6: Débits de pointes des affluents du Rhône pour les crues de période de retour 10, 100 et  1000 ans. Étude Globale du Rhône ­ Territoire Rhône...12 Figure 7 : Aménagements hydroélectriques sur le Rhône français, Hydratec...13

Figure   8 :   Apports   solides   transportés   par   charriage   jusqu’au   Rhône   (Étude   globale   pour   une  stratégie de réduction des risques dus aux crues du Rhône, Institution Interdépartementale des  bassins Rhône ­ Saône)...14

Figure   9 :   Évolution   du   transit   naturel   par   suspension,   IRS   ­   Sogreah   2000,   mise   en   forme  Hydratec/MINEA...15 Figure 10: Evolution du charriage, IRS ­ Sogreah 2000, mise en forme Hydratec/MINEA ­ Étude  globale des crues du Rhône ­ volet "Dynamique fluviale"...16 Figure 11 : Confluence du Rhône (à gauche) et de l’Arve (à droite) chargée en sédiments à Genève.  Photo : SIG, crue de l'Arve, août 2005...17 Figure 12: Abaissement des plans d’eau de Verbois, Chancy­Pougny et Génissiat ...20

Figure  13 :  Aménagement  de  Pierre­Bénite,  exemple  de  consigne  d’exploitation   à  un  point  de  réglage. courbe hauteur/débit, CNR...22

Figure 14: Basculement du plan d’eau lors d’une crue, ZABR...23

Figure   15:   Représentation   schématique   d’une   rivière   à   lits   composés.   Les   indices   m   et   M  correspondent respectivement au lit mineur et lit majeur...25

Figure 16 : Localisation (a) et description du site pilote de Miribel­Jonage (Geoportail)...27

Figure 18: Représentation géométrique du modèle 1D du Rhone entre la frontière et Motz (a) en  coordonnées relatives (abscisses/cotes) et avant ajout des nouvelles données, (b) en coordonnées  géoréférencées xyz après ajout des nouvelles données. ...31 Figure 19 : Écoulements moyens mensuels du Rhône à Pougny. Données calculées sur 86 ans,  Banque HYDRO...33 Figure 20 : Écoulements moyens mensuels de l’Ain au Pont de Port Galland. Données calculées sur  53 ans. Banque HYDRO...34 Figure 21: Écoulements moyens mensuels en m³/s de la Saône à Couzon­Au­Mont­d'Or...35 Figure 22: Distribution granulométrique des MES à Jons lors de la chasse de 2003 (données CNR) ...37 Figure 23: Relation entre les mesures de concentrations et débit sur le Rhône en amont de Lyon et  sur la Saône à Lyon...38 Figure 24: Schéma global du Rhome modélisé sous PamHyr...39 Figure 25: profil en long du tronçon et frottements associés, canal de Miribel aval...41 Figure 26: Aménagement classique du Rhône, (Institution interdépartementale des bassins Rhône­ Saône)...42 Figure 27: Ligne d'eau de 5 biefs du Rhône obtenue sous PamHyr après calcul par Mage...46 Figure 28: Comparaison de lignes d'eau mesurées et calculées par Mage pour différents débits, sur  le Rhône au niveau de la lône du Beurre...47 Figure 29: Hydrogrammes issus de Pamhyr­Mage de la propagation d'une crue...48 Figure 30: Masses de sédiments déposées en kg/m² pour la simulation 1 sur tout le linéaire du  Rhône modélisé (a) et sur les biefs où l'on observe des masses de sédiments déposées (b)...53 Figure 31: cartes représentant les zones où l'on retrouve les forts dépôts...54 Figure 32: Masses de sédiments déposées en kg/m² pour la simulation 3 sur tout le linéaire du  Rhône modélisé (a) et sur les biefs où l'on observe des masses de sédiments déposées (b)...56 Figure 33: Débits mesurés à Chancy Pougny pendant la chasse de mai 2003 (la cote correspond à  une mesure dans la retenue au barrage de Génissiat)...57 Figure 34: Concentrations mesurées à Pougny (a) et à Seyssel (b) lors de la chasse de 2003...58 Figure 35: Concentration en MES et débit utilisés pour la simulation de la chasse à la limite amont  du modèle...59 Figure 36: Comparaison entre la concentration en MES mesurée et calculée à Miribel Jonage pour  deux valeurs du coefficient ac différents sur la chasse de 2003...60 Figure 37: Comparaison entre la concentration en MES mesurée et calculée à Miribel Jonage pour  deux valeurs du coefficient apd différents sur la chasse de 2003...61 Figure 38: Comparaison entre la concentration en MES mesurée et calculée à Seyssel pour la chasse  de 2003 (apd = 0,2 et ac = 0,0005)...62 Figure   39:   Masses   de   sédiments   déposées   en   kg/m²   sur   tout   le   linéaire   du   Rhône   modélisé,  simulation 2...63 Figure 40: Propagation du pic de MES de l'amont (Suisse)  à l'aval (confluence avec Isère) du  Rhône...64 Figure 41: Propagation au sein d'un aménagement classique du Rhône...65 Figure 42: Influence sur la concentration en MES des barrages et aménagements hydrauliques, lors  d'une chasse...66

 1  I

NTRODUCTION

 1.1 

C

ONTEXTE

 

DE

 

L

'É

TUDE

 1.1.1  PROJET AXELERA PCB

Le travail qui suit prend place au sein du programme Axelera,  pôle de compétitivité à vocation  mondiale « Chimie et Environnement Lyon & Rhône­Alpes », créé en 2005 par Arkema, le CNRS,  GDF SUEZ, l’IFP Energies nouvelles et Rhodia. Pour devenir le pôle industriel et scientifique leader européen en 2012, vitrine de l’innovation en  chimie­environnement, Axelera rassemble et coordonne les acteurs de l’industrie, de la recherche et  de la formation en chimie et en environnement. Sa stratégie de développement est axée sur 5  thématiques : • la chimie­environnement au service des marchés d’application, • la préservation des espaces naturels, • le recyclage et la recyclabilité des matériaux, • la chimie issue du végétal, • l’usine du futur. L'un des nombreux projets portés par Axelera, le projet PCB, a pour but le développement de  moyens pour lutter contre la pollution du Rhône par les PCB. Le programme PCB­Axelera a été  engagé en décembre 2008 par le ministère de l'écologie, de l'énergie, du développement durable et  de l'aménagement du territoire, qui a confié au pôle de compétitivité Axelera le volet de recherche  appliquée   sur   les   techniques   de   dépollution   de   son   plan   national   d’actions   sur   les   PCB.   Le  programme de recherche PCB­Axelera, d'une durée de 40 mois et piloté par Suez Environnement,  mobilise au total 30 partenaires autour de 16 actions. Le mois d'avril 2009 a marqué le coup d'envoi  des 16 actions qui permettront à terme de fournir des solutions de dépollution efficaces des PCB  dans les rivières. L'action dans laquelle prend place notre étude, est intitulée : « Flux de PCB associés à la dynamique  à différentes échelles des phénomènes de transport, de dépôts et de remise en suspension des  sédiments fins. Application aux spécificités du Rhône. »

 1.1.2  TRAVAIL RÉALISÉ PAR IRSTEA

Cette action vise  à mettre à profit les avancées récentes de la modélisation numérique hydro­ sédimentaire pour analyser la dynamique des transferts de PCB dans les eaux et les sédiments fins  d’un cours d’eau, à différentes échelles spatiales (de quelques centaines de mètres à plusieurs  centaines de kilomètres). Les modalités de stockage et de reprise des sédiments fins sont examinées  (casiers, zones situées entre les épis, lônes, etc.) sur la base d’analyses des volumes stockés dans les  marges alluviales, et des effets de dépôt/reprise dans les retenues et les casiers. La modélisation est  réalisée par des approches adaptées aux différentes échelles : 

– une   échelle   globale   à   l’aide   d’un   modèle   1D   permettant   une   modélisation   du   flux 

– une échelle locale à l’aide d’un modèle 2D (voire 3D pour certains cas tests), permettant une  analyse des processus hydrosédimentaires locaux et la modélisation détaillée d’un ou deux  site(s) pilote(s).

Une   partie   importante   du   travail   consiste   à   obtenir   les   données   nécessaires,   en   particulier   la  caractérisation   des   zones   sources,   puis   des   mesures   hydrosédimentaires   détaillées   sur   le   site  (topographie,   qualité   des   sédiments,   hydrométrie,   concentrations),   d’une   part   pour   fournir   les  données d’entrées et d’autre part pour caler et valider les modèles. Le modèle 1D fournit les  conditions   aux   limites   du   modèle   2D.   Inversement,   les   résultats   du   modèle   2D   permettent  d’appréhender les termes « globaux » de dépôts/érosion à intégrer dans le modèle 1D.

L’estimation des quantités de PCB stockées dans les sédiments et des flux associés nécessite la  connaissance des mécanismes de stockage et de transfert des sédiments fins dans le lit du Rhône,  dans   les   casiers,   les   retenues   ou   dans   les   bras   secondaires.   Des   mesures   quantitatives,   tant  concernant le sédiment (évolution des dépôts, concentrations et flux de MES) que la présence de  PCB, sont indispensables mais, par leur aspect ponctuel, ne suffisent pas pour appréhender le  système dans toute sa complexité spatiale et temporelle. À une échelle globale, la modélisation 1D permet d'évaluer la migration progressive vers l’aval des  stocks sédimentaires et les temps de transit des sédiments fins contaminés. À une échelle fine  (représentation très détaillée de la topo­bathymétrie) la modélisation 2D et 3D permet de bien  appréhender les processus physiques de stockage/déstockage, les zones préférentielles de dépôt des  sédiments dans la section d’écoulement, qu’il s’agisse du lit mineur ou du lit majeur et les effets des  structures naturelles et artificielles sur la dynamique des MES et des PCB. La modélisation 1D et le nouveau logiciel de transport de sédiments développé par Irstea pour  réaliser cette étude présentent l’avantage d’une résolution rapide ce qui permet de simuler des  événements de longue durée (plusieurs années et dizaines d’années) sur un long bief (plusieurs  centaines de kilomètres). Le travail effectué par Irstea consiste à mettre au point un modèle 1D représentant le transport de  sédiment sur le Rhône sur le long terme, ainsi que réaliser l'étude de deux sites pilotes :  • La lône du beurre, situé à quelques kilomètres à l'aval de Vienne; • Miribel Jonage, situé dans la partie Nord de l'agglomération Lyonnaise. Les études sur les deux sites pilotes sont détaillées dans deux autres rapports, bien qu’abordées ici.  Le travail présenté ici porte sur la modélisation du transport de sédiments dans le Rhône de la  frontière Suisse à la confluence entre le Rhône et l'Isère (amont proche de Valence). 

Figure 1: Localisation des sites pilotes et principaux ouvrages du Rhône aux alentours, (Étude globale pour  une stratégie de réduction des risques dus aux crues du Rhône, Institution Interdépartementale des bassins   Rhône­Saône).

 1.2 

L

ES

 PCB (P

OLY

C

HLORO

B

IPHÉNYLES

)

Les PCB sont des dérivés composés chimiques de la famille des dérivés chlorés. Ce sont (selon leur  teneur en chlore) des liquides plus ou moins visqueux voire résineux, non solubles dans l’eau,  incolores ou jaunâtres, à forte odeur aromatique. Thermodynamiquement très stables, ils ne se  décomposent   qu’à   des   températures   dépassant   1 000 °C.   Très   liposolubles,   ils   font   partie   des  contaminants   bioaccumulables   fréquemment   trouvés   dans   les   tissus   gras   chez   l’humain   (par  exemple dans le lait maternel). Ils sont classés comme « cancérogènes probables » et le PCB 126 a  été classé cancérogène certain. L’alimentation est la première source d’exposition aux PCB : 90 %  de l’exposition totale, surtout via des produits d’origine animale (poisson, viande, œufs, produits  laitiers). Les PCB n’existent pas à l’état naturel. Très utilisés à partir des années 1930 dans l’industrie pour  leurs qualités d’isolation électrique, de lubrification et d’ininflammabilité, ils ont été utilisés dans  de nombreuses applications domestiques et industrielles. Site pilote de Miribel- Jonage Site pilote de la lône du Beurre

On   les   retrouvait   notamment   comme   isolants   dans   les   transformateurs   électriques   et   les  condensateurs, comme lubrifiants dans les turbines et les pompes ou comme composants d’huiles,  de soudure, d’adhésifs, de peintures et de papiers autocopiants. Ils ont cessé d’être produits depuis  1987 pour progressivement être retirés de la vente. La quantité totale de PCB non détruits est inconnue, mais il en existe des stocks importants et un  volume très significatif déjà diffusé dans l’environnement. À titre d’exemple, l’Union Européenne a  estimé en 1994 qu’il en restait 200 000 tonnes (liquide) dans l’Europe des 15 (rien que venant des  transformateurs et condensateurs à détruire). La France, puis l’Italie et l’Allemagne en détenaient la  plus grande quantité (avec respectivement 45 000 t, 45 000 t et 30 000 t) alors que la Grèce, le  Portugal et l’Irlande semblaient disposer des plus petites quantités. Les PCB peuvent aussi être aéroportés (on en trouve dans l’air et sur les feuilles). À partir de l’air  ou   des   sols,   ils   semblent   surtout   véhiculés   par   l’eau   à   cause   de   leur   faible   solubilité   et  biodégradabilité. Les PCB n’altèrent pas la qualité de l’eau en elle­même, mais se fixent sur les  matières en suspension et les sédiments fins présents dans les milieux aquatiques. Les 6 millions de  mètres cubes de sédiments transportés par les cours d’eau en France sont contaminés par les rejets  industriels et urbains1_. C’est pourquoi il est important de comprendre les processus de transferts des sédiments, pour  connaître le devenir des PCB et leurs éventuels lieux de stockage naturels. Il s’agit donc, d’une part, de déterminer la dynamique des phénomènes de transport, de dépôt et de  remise en suspension des sédiments fins grâce à la modélisation, et d’autre part d’acquérir la  connaissance des flux de PCB observés dans le Rhône. Figure 2: Structure chimique des polychlorobiphényles, source Wikipédia

 2  L

E

 R

HÔNE

Le Rhône prend sa source dans le glacier du Rhône en Suisse. Il parcourt ainsi 290 km jusqu’à la  frontière franco­suisse. Après 545 km sur le territoire français, il se jette dans la Mer Méditerranée  au niveau du delta de Camargue (Figure 3).

Figure 3: Carte des aménagements du Rhône, CNR

Le   Rhône   est   caractérisé   par   de   nombreux   aménagements  hydroélectriques   (Figure  3),   et   par  plusieurs   installations   nucléaires   situées   sur   les   rives,   prélevant   de   l’eau   pour   assurer   leur  refroidissement.

 2.1 

H

YDROLOGIE

Le   régime   hydrologique   du   Rhône   est   caractérisé   par   des   maxima   automnaux   liés   aux   pluies  méditerranéennes, et printaniers en raison de la fonte des glaces. L’hiver présente souvent des débits  soutenus mais moins marqués et le régime hydraulique minimum est estival. Le Rhône se caractérise par la diversité de son bassin versant : • apports alpins soutenus entre mai et juillet (fonte des neiges et des glaciers) ; • apports océaniques d’hiver, à crues lentes (Saône) ; • apports méditerranéens et cévenols à crues violentes d’automne et étiages sévères d’été. Il en résulte un régime hydrologique très complexe et une grande diversité dans la formation des  crues et leur déroulement. Hors crues, on considère un débit moyen inférieur à 335 m3_{/s au barrage}  de Chancy­Pougny (barrage franco­suisse situé à la frontière) et à 460 m3_{/s au niveau du barrage de}  Sault­Brénaz. La valeur caractéristique d’une crue annuelle du Haut­Rhône au niveau de Chancy­

Pougny est de 700 m3_{/s. Le débit moyen inter­annuel du fleuve à Beaucaire est de 1700 m}3_{/s, et il est} 

considéré en crue dès que son débit dépasse les 5000 m3_{/s. On distingue les types de crue suivants :}

• les crues océaniques, dans lesquelles la Saône joue un rôle prépondérant ;

• les  crues   méditerranéennes  extensives   (janvier   1994),   avec   une   forte   contribution   des 

affluents méditerranéens de rive gauche (Durance, notamment) ;

• les  crues   cévenoles  (septembre   2002)   avec   un   rôle   prépondérant   des   affluents 

méditerranéens de rive droite (Ardèche, Cèze, Gardon) ;

• les crues généralisées (type 1856) ou cumulant plusieurs types (1840) qui sont les plus 

dommageables.

Le débit moyen inter­annuel du fleuve relevé à Beaucaire est de 1700 m3/s (données 1920­2005), 

avec un débit moyen mensuel variant entre 1100 m3/s et 1900 m3/s (Figure 4).

A l’amont de notre modèle à la frontière Suisse, le débit du Rhône est beaucoup plus faible avec un 

débit moyen mensuel variant entre 230 m3/s et 510 m3/s au barrage de Chancy­Pougny (Figure 5). 

Les   différents   affluents   du   Rhône   tout   au   long   de   son   linéaire   français  jouent   donc   un   rôle  hydrologique important en augmentant considérablement son débit.

Sur la partie française du Rhône, les affluents majeurs (avec un débit moyen de plus de 100 m3/s)  sont l’Ain, la Saône, l’Isère et la Durance. Parmi les autres affluents (avec un débit moyen de moins  de 100 m3/s) notons, d’amont en aval : l’Annaz, les Usses, la Valserine, le Fier, le canal de Savières,  le Séran, le Guiers, le Furans, la Bourbre, l’Yzeron, le Garon, le Gier, la Gère, la Varèze, le Dolon,  les Collières, la Cance, l’Ay, la Galaure, le Doux, la Véore, l’Eyrieux, la Drôme, l’Ouvèze, la Payre,  le Roubion, l’Escoutay, la Berre, l’Ardèche, le Lez, la Cèze, l’Eygues (ou Aygues) et le Gardon (ou  Gard). On peut voir sur la figure 6 l’importance hydrologique de ces affluents notamment lors des  crues. Ajoutons que deux affluents prenant leur source en France et dont la majeure partie du linéaire est  français se jettent dans la Rhône en Suisse peu avant la frontière : la Dranse et l'Arve. Figure 6: Débits de pointes des affluents du Rhône pour les crues de période de retour 10, 100 et 1000 ans.   Étude Globale du Rhône ­ Territoire Rhône. Figure 5: Le Rhône à Pougny, Banque Hydro

Il faut noter que l’Arve qui naît en France mais rejoint le Rhône en Suisse, est un affluent très  important   pour   notre   problématique   de   suivi   des   matériaux   en   suspension   malgré   des   débits  modestes. Cet affluent fait en effet partie des principaux contributeurs au Rhône en sédiments fins  avec la Saône, l’Isère et la Durance. Cependant l'Arve, dont la confluence avec le Rhône se fait en  Suisse, ne fait donc pas partie de notre étude qui s'étend de la frontière Suisse à la confluence entre  le Rhône et l'Isère.

 2.2 

T

RANSPORT

 

SOLIDE

 

ET

 

SÉDIMENTAIRE

La dynamique fluviale naturelle du Rhône et de ses affluents, et la structure des pentes, sont  fortement marquées par l’héritage des dernières glaciations (Figure 7). On retrouve la présence de  lacs   au   niveau   de   zones   surcreusées   (Lac   d’Annecy,   Lac   Léman,   Lac   du   Bourget).   Le   transit  sédimentaire couvre une large gamme de matériaux à travers deux modes : le transport par charriage  sur le fond des alluvions grossières (blocs, galets, graviers, sables grossiers) et le transport en  suspension   des   sédiments   fins   (sables   fins,   limons,   argiles).   Avant   les   grands   aménagements  hydroélectriques   sur   le   cours   du   Rhône,   les   graviers   et   galets   façonnaient   le   lit   du   fleuve   et  constituaient le transit sédimentaire actif. Les MES jouaient un rôle secondaire dans les marges  alluviales. Aujourd’hui, seuls les sables jouent un rôle actif dans la dynamique sédimentaire du  littoral. Les aménagements CNR contribuent à perturber le régime des pentes dans les retenues et  des débits dans les tronçons court­circuités. Figure 7 : Aménagements hydroélectriques sur le Rhône français, Hydratec L’aménagement général du Rhône par la CNR a débuté en 1948 avec la mise en eau du barrage de  Génissiat. La charge transportée par charriage qui arrivait jusqu’au fleuve était estimée à environ 

1 Mm3_{/an. C’était surtout l’œuvre de l’Arve, de l’Ain, de l’Isère et de la Durance. Aujourd’hui, les} 

apports en matériaux grossiers au Rhône ne sont plus que d’environ  0,2 Mm3_{/an, dont la moitié} 

pour l’Ain et la Drôme (Figure 8). Le transport solide actuel sur le Haut­Rhône (à l'amont de Lyon) 

se traduit par le déplacement de près de 100 000 à 110 000 m3 _{de matériaux grossiers par charriage} 

et de 1,9 à 4,5 Mt de MES. On peut retenir en général pour le Haut­Rhône un transport solide de 

l’ordre de 1,3 Mm3_{/an, sachant que pour les chasses de 2012, un apport de 1,7 Mm}3 _est prévu.

Figure 8 : Apports solides transportés par charriage jusqu’au Rhône (Étude globale pour une stratégie de  réduction des risques dus aux crues du Rhône, Institution Interdépartementale des bassins Rhône ­ Saône)

Les paragraphes suivants décrivent les transits sur le Rhône liés aux deux types de transport : la  suspension et le charriage.

 2.2.1  TRANSIT PAR SUSPENSION

Les observations et les études (Sogreah, 2001) montrent que sur le Rhône à l’état naturel, le transit  en suspension est rapide. Il faut compter moins de 24h de transit en moyenne pour 100 km. En  fonctionnement   naturel,   les   dépôts   dans   les   marges   boisées   (qui   peuvent   atteindre   plusieurs  décimètres au cours d’une crue) sont régulièrement repris par le fleuve par  érosion. La faible  mobilité  actuelle  du  Rhône  favorise  un  exhaussement  irréversible   de  ces  marges,  ainsi  qu’une  réduction de la largeur du lit principal dans les retenues. Mais l’endiguement du fleuve limite la  largeur sur laquelle s’appliquent ces évolutions, et donc les volumes concernés. Le transit naturel a pu être estimé à 20 millions de tonnes par an dans les années 1950. Il est  possible que le transit ait atteint 30 millions de tonnes par an au début du XXe siècle, au moment du  déboisement intensif des versants. Actuellement, les apports du bassin versant n’ont pas changé de façon significative depuis le milieu  du XXe siècle : l’état des versants, le développement des zones de ravinement et le fonctionnement  des torrents ont peu évolué. En revanche, les grands barrages piègent des volumes significatifs de  sédiments fins : Vouglans sur l’Ain, Génissiat sur le Rhône, Serre­Ponçon sur la Durance, Tignes  sur l’Isère, le Sautet et Monteynard sur le Drac, Sainte­Croix sur le Verdon, etc. La fixation du lit du 

Rhône   et   de   certains   de   ses   affluents   a   favorisé   également   la   sédimentation   dans   les   marges  alluviales. On peut estimer les apports actuels à 10 millions de tonnes par an.

 2.2.2  TRANSIT PAR CHARRIAGE

Au contraire du transit par suspension, le transit par charriage est naturellement beaucoup plus lent.  Le temps de transit est de plusieurs décennies pour 100 km. Avant aménagements, les profils en  long n’ayant pas atteint l’équilibre depuis la dernière glaciation ne permettaient pas d’assurer la  continuité du transit. Le transit était ainsi interrompu sur le Rhône en amont de Sault­Brenaz, et  réduit de manière très importante à l’amont de Lyon, ainsi qu’à Chautagne. Il en était de même dans  la partie aval de plusieurs affluents (Isère, Eygues, Ouvèze, etc.). D’amont en aval, on avait, avant  aménagement, les ordres de grandeur suivants : • à l’aval du lac Léman, les apports étaient assurés principalement par l’Arve (100 000 à  150 000 m³/an) • à l’amont de Lyon, la reprise des dépôts morainiques (glaciaires) et les apports de l’Ain  favorisait une pente forte avec un transit soutenu (100 000 m³/an). La majeure partie de ce  transit se déposait à l’entrée de Lyon, dans le secteur de divagation de Miribel­Jonage. Le  transit ne dépassait pas les 30 000 m³/an environ à l’aval de Lyon. Figure 9 : Évolution du transit naturel par suspension, IRS ­ Sogreah 2000, mise en forme Hydratec/MINEA

• sur le Bas­Rhône, le transit reprenait progressivement avec les apports des affluents, pour  atteindre un maximum de l’ordre de 400 000 m³/an à l’aval de la Durance. Depuis, le transit des graviers a été totalement bouleversé au cours du XXe siècle : • les apports de la plupart des affluents se sont taris, en raison des aménagements dont ils ont  fait l’objet : barrages, dérivations, extractions, • sur le Rhône, des extractions importantes ont eu également lieu. Au final, on arrive paradoxalement à un nouvel « équilibre » dû au fait qu’aujourd’hui le Rhône  serait incapable de transporter les apports naturels : pentes trop faibles dans les retenues, débits trop  réduits dans les tronçons court­circuités. Donc « presque pas d’apports, presque pas de transport ». Le transit de graviers ne dépasse guère quelques milliers de m³/an sur la plupart des tronçons, avec  un maximum de quelques dizaines de milliers de m³/an entre la Drôme et l’Ardèche. Figure 10: Evolution du charriage, IRS ­ Sogreah 2000, mise en forme Hydratec/MINEA ­ Étude globale   des crues du Rhône ­ volet "Dynamique fluviale". En conclusion, aujourd’hui le transport par suspension tient une place beaucoup plus importante  que le transport par charriage et provoque l’envasement des retenues ainsi que de certaines marges.  Se pose donc le problème des vidanges des barrages à l’aide de « chasses » qui permettent de vider  les retenues des sédiments accumulés.

 3  C

HASSES

 

DU

 R

HÔNE

 

À

 

L

’

AVAL

 

DE

 G

ENÈVE

 3.1 

I

NTRODUCTION En Suisse, à Genève, où le barrage de Chèvres est situé aux abords de la ville, le dépôt de sédiments  augmente le risque d’inondation d’une partie de la ville. On observe en effet des apports très  importants en sédiments fins provenant de l’Arve dont la confluence est située sur la commune de  Genève. De ce fait, des chasses régulières sont nécessaires pour éviter le comblement des retenues  et conserver la capacité des réservoirs, ainsi que pour limiter le risque d'inondation des bas quartiers  de Genève. Jusqu’en 2003, les chasses étaient réalisées tous les trois ans. Pour différentes raisons  (stratégiques, écologiques, économiques et politiques), il n’y a pas eu de chasse depuis 2003 et une  nouvelle chasse a eu lieu en juin 2012. Après 9 ans sans chasse, les enjeux et les conséquences de  cette chasse se sont donc amplifiés, notamment en ce qui concerne les flux de sédiments fins et  leurs impacts. L’aménagement du Rhône Genevois, qui a débuté en 1896 avec la création du barrage de Chèvres à  l’aval de Genève, a modifié le transit des matériaux entre Genève et les embouchures du fleuve sur  la Mer Méditerranée. L’Arve apporte de 1 à 2 Mt (millions de tonnes) par an de matériaux minéraux  fins au Rhône. Ce transport solide est considéré comme le plus gros apport de matériaux au Haut­ Rhône (Figure 11). Figure 11 : Confluence du Rhône (à gauche) et de l’Arve (à droite) chargée en sédiments à Genève. Photo :  SIG, crue de l'Arve, août 2005. Cette rivière au caractère torrentiel a un fort pouvoir érosif. Ces matériaux, principalement des fines  en provenance des glaciers du massif du Mont­Blanc, s’accumulent en grande partie dans la retenue  de Verbois. Il est indispensable d’en assurer régulièrement le transit. En effet, il faut éviter le  relèvement   préjudiciable   des   lignes   d’eau   en   crue   (inondations   de   la   ville   de   Genève)   et   le  comblement de la retenue suisse de Verbois. Les chasses sont réalisées entre la fin du printemps et  le début de l’été afin qu'elles se déroulent dans des conditions optimales (CNR, 2003) :

• les débits doivent être suffisamment élevés pour assurer l’efficacité des chasses,

• les impacts sur le milieu naturel, et notamment la faune piscicole, doivent être minimisés,

Les conditions hydrauliques idéales pour assurer l’évacuation des MES des retenues de Verbois et  Chancy­Pougny et le transit de ces matériaux au travers des retenues françaises situées en aval sont : • Un débit minimal de 500 à 600  m3/s à l’aval de l’Arve pendant une période de plusieurs  jours pour assurer les chasses des retenues suisses ; • Un niveau du Lac Léman suffisant pour moduler convenablement le débit, notamment pour  le remplissage des retenues en fin d’opération. Il est également nécessaire d’assurer l’alimentation en eau de la centrale nucléaire EDF du Bugey  par un débit minimal de 140 m3_{/s pour son refroidissement.}

 3.2 

H

ISTORIQUE

 

DES

 

CHASSES

Les premières opérations de chasses des sédiments furent mises en place dès 1913 sur le barrage de  Chèvres, en aval immédiat de la ville de Genève (CNR, 2010). En 1944, la retenue de Verbois est mise en eau. Durant cette période, la direction des opérations se  tient en Suisse. Le barrage de Génissiat est mis en eau après la seconde guerre mondiale, en 1948.  L’objectif pour les exploitants français est alors d’éviter le stockage massif de sédiments dans les  retenues. Les meilleures conditions de transit sont mises en œuvre pour éviter des dommages à  l’environnement, en tenant compte des besoins des différents usagers du Rhône et des prescriptions  contenues dans les cahiers des charges spéciaux des chutes. Cependant, au cours des 9 chasses  suivant la mise en service de Génissiat, de fortes pollutions du fleuve sont observées (CNR, 2010).  Celles­ci seraient dues aux rejets des égouts de la ville de Genève directement dans le fleuve. En  1968, plusieurs stations d’épuration des eaux usées (STEP) sont installées près du Rhône. Des  accords   franco­suisses   concernant   les   modalités   de   chasses   et   notamment   le   respect   d’une  périodicité de trois années, sont établies en 1967. Lors des chasses de 1972 et 1975, une nette amélioration des taux d’oxygène dissous et des taux de  NH4 a été constatée. La pollution des eaux en aval de Lyon fut quasiment éliminée. La chasse de  1978 a été marquée par la vidange quasi­complète de la retenue de Génissiat à l’occasion de la  première visite décennale du barrage de Génissiat. Malheureusement, une brutale rétention de débit  à Chancy­Pougny a provoqué un abaissement exagéré du niveau de Génissiat. Consécutivement à  l'abaissement brutal du niveau de la retenue et aux fortes vitesses d’écoulement qui en ont résulté,  des effondrements massifs de murs de vase dans la retenue ont provoqué des pollutions minérales et  organiques importantes avec des pointes de 110 g/l de MES et une valeur nulle de l’oxygène dissous  à Seyssel pendant plusieurs heures. Les répercussions de cette opération ont été désastreuses pour  l’ensemble   du   fleuve,   avec   des   mortalités   piscicoles   particulièrement   intenses   et   perceptibles  jusqu’à Lyon. Avec le bilan déplorable de la précédente chasse, des dispositions strictes ont commencé à voir le  jour lors de la chasse de 1981. Bien que les contraintes concernant les concentrations de MES aient  été respectées, une majorité des sédiments évacués de Verbois continuent de combler la retenue de  Génissiat. Des études poussées ont été réalisées afin de fixer des critères stricts pour la chasse de  1984, de manière à éviter des dépôts trop importants dans les retenues en aval de Verbois, tout en  limitant les concentrations en MES pour préserver la faune et la flore aquatique. Cette chasse fut  plus longue afin d’assurer une meilleure dilution et un meilleur contrôle des MES.  La chasse de 1987 a été marquée par de forts débits naturels. Commencée dans des conditions  difficiles, cette chasse a dû, conformément aux consignes, être interrompue par suite des conditions  hydrologiques qui ont rendu impossible le transit des sédiments par la vanne de fond de Génissiat.  Aucun impact majeur sur l’environnement n’a été signalé. Lors de la chasse de 1990, l’envasement 

de l’amont du barrage de Génissiat était tel que les eaux évacuées par la vanne de demi­fond étaient  très chargées et ne permettaient plus d’opérer la dilution dans le flux aval. Un dragage préalable a permis que la chasse de 1993 soit globalement satisfaisante, malgré un taux  de rendement faible : sur 1 350 00 tonnes de matériaux entrés dans la retenue de Génissiat, seuls  700 000 tonnes en sont ressorties, soit environ 52 %. En 1997, le niveau du Lac Léman est inférieur à l’objectif visé et le débit prévu de 600 m3_{/s n’a pu}  être atteint (CNR, 1997). De plus, des pêches de sauvetage préventives ont été réalisées sur le  Vieux­ Rhône de Chautagne mais aucune mortalité massive de poissons n’a été constatée. Lors de  cette chasse, l’abaissement de la retenue de Génissiat a été effectué précédemment à ceux des  retenues suisses amont. La chasse de 2000 a nécessité un dragage préalable de l’entonnement de la vanne de demi­fond du  barrage de Génissiat (CNR, 2000). Cette opération a permis une bonne dilution des MES par le jeu  des vannes de demi­fond et de fond. Enfin les dernières opérations se sont tenues en mai 2003. Cette chasse s’est bien déroulée malgré  une situation hydrologique déficitaire et un petit épisode de crue sur l’Arve et le Fier. Vingt chasses  on ainsi été effectuées depuis 1942 et jusqu’en mai 2003. Pour des raisons administratives, la chasse de 2006 a été annulée. La chasse de 2009 a été repoussée  en 2010 puis 2012. La Direction Régionale de l’Environnement, de l’Aménagement et du Logement  (DREAL), service instructeur pour l’accompagnement des chasses suisses sur les ouvrages français,  a posé le cadre réglementaire. La consigne générale des mesures d’accompagnement des chasses  suisses est mise en œuvre par la CNR sous le contrôle de la DREAL Rhône­Alpes.

 3.3 

C

ADRE

 

ADMINISTRATIF

 

DE

 

LA

 

CHASSE

 

DE

 

MAI

 2012

La Directive Cadre Européenne sur l’Eau (DCE), adoptée le 23 octobre 2000, permet à l’Union  Européenne d’organiser la gestion des eaux intérieures de surface, souterraines, de transition et  côtières (CNR, 2010). Ceci en vue essentiellement de prévenir et de réduire leur pollution. Le  Schéma   Directeur   d’Aménagement   et   de   Gestion   des   Eaux   du   bassin   Rhône­Méditerranée  (SDAGE), mis à jour en 2009, répond aux ambitions de la DCE en constituant un outil de mise en  œuvre. Le SDAGE fixe les objectifs pour chaque masse d’eau du bassin (plans d’eau, tronçons de  cours d’eau, estuaires, eaux côtières, eaux souterraines). Plusieurs masses d’eau, superficielles et  souterraines, sont définies dans la DCE pour le Haut­Rhône, de la frontière franco­suisse à la  confluence avec la Saône. L’atteinte de « bon état » en 2015 est un des objectifs généraux. L’état  écologique et chimique de ces masses d’eau est estimé, notamment à travers : les concentrations en  métaux, HAP et PCB, les taux d’oxygène dissous et d’ammonium, l’eutrophisation, la bactériologie  et les MES. Les MES constituent le principal paramètre déclassant sur l’ensemble des stations de la  zone   d’étude.   Une   attention   particulière   leurs   est   portée,   car   il   s’agit   du   plus   potentiellement  impactant lors des prochaines opérations de chasse. La mesure de la concentration en MES est  réalisée tout au long des chasses du Rhône afin de respecter les contraintes d’environnement et de  sécurité imposées au niveau du barrage de Seyssel :  • 5 g/l en moyenne, • 10 g/l pendant 6 heures maximum, • 15 g/l maximum absolu, pendant 30 minutes. Le calendrier des opérations d’accompagnement de la chasse suisse de juin 2012 a été établi. Les  manœuvres se sont déroulées les semaines 23 et 24 (du 4 au 18 juin). Un repli possible avait été 

prévu, en cas de conditions hydrologiques défavorables, avec un décalage d'une semaine (semaines  24 et 25, du 11 au 25 juin). Se décalage n'a pas eu lieu. Les manœuvres ont débutées sur les retenues  françaises   avec   Génissiat,   suivies   de   l'ensemble   des   autres   aménagements   CNR   en   aval.   Ces  opérations nécessitent une collaboration  étroite entre les SIG et la CNR pour l’élaboration du  programme des opérations et des documents de communication. Les opérations d’accompagnement  des chasses suisses se déroulent en deux phases : (Figure 12)  1. D’abord, les plans d’eau des différentes retenues sont abaissés, ce qui contribue au transit  des sédiments. Au cours de cette première phase, la retenue de Génissiat est abaissée en  premier afin d’être vidangée avant l’arrivée des matériaux issus des retenues suisses amont,  puis les retenues suisses de Verbois et Chancy­Pougny sont abaissées à leur tour.  2. Puis, les retenues sont remontées à leur cote d’exploitation normale, ce qui contribue à une  décantation des MES dans les retenues où elles sont piégées (Figure 4) (CNR, 2010). Lors  de cette deuxième phase, on remarque la remontée préalable et par palier de la retenue de  Génissiat. Ce processus permet le transit des matériaux suisses vers l’aval. L’ensemble des manœuvres d’abaissement des plans d’eau gérés par la CNR vise à faire transiter,  vers l’aval, un volume équivalent au volume de MES ayant franchi la frontière franco­suisse (CNR,  2010). Lors de ces opérations, les écluses de navigation de plaisance de Chautagne, Savières et  Belley sont fermées et interdites à la navigation pendant toute la durée de l’opération. À la cote 320  m NGF, les groupes hydroélectriques de Génissiat sont arrêtés. L’essentiel de l’évacuation du débit  se fait par la vanne de fond. L’ouverture de cette vanne engagera le démarrage du transit de MES.  Un réglage des débits transitant par les vannes de fond et demi­fond permet de doser le flux de MES  envoyé à l’aval. Il est ainsi possible de contrôler les taux prévisibles au pont de Seyssel où se trouve  la station de référence. Figure 12: Abaissement des plans d’eau de Verbois, Chancy­Pougny et Génissiat.

 4  M

ODE

 

DE

 

GESTION

 

DES

 

OUVRAGES

 

DU

 R

HÔNE

 4.1 

O

BJECTIFS La gestion de la ressource et des écoulements du Rhône et de ses affluents, aussi bien en crue qu’en  basses eaux, suppose de nombreuses contraintes. Le mode de gestion des ouvrages du Rhône doit  concilier trois objectifs : • production hydroélectrique, • navigation, • et irrigation.

Le   choix   technique   retenu   pour   réaliser   ces   trois   objectifs   a   été   de   mettre   en   place   des  aménagements au fil de l’eau avec une capacité d’accumulation limitée.

Chaque chute doit réagir aux perturbations des chutes amont, tout en se préoccupant de ses propres  effets sur les chutes aval et en respectant les règles fixées par sa consigne d’exploitation. Ces règles  sont définies de façon à satisfaire les objectifs et contraintes aussi bien en période normale qu’en  crue.

 4.2 

P

RINCIPE

 

DE

 

GESTION

 

DES

 

PLANS

 

D

’

EAU

Le mode de gestion est basé sur la régulation des niveaux des plans d’eau en fonction des débits  entrants dans chacun des aménagements. Pour chaque aménagement, une consigne d’exploitation  normale et en crue permet de respecter : • les niveaux d’eau dans les retenues, • la répartition de débits entre usines et barrages. Cette consigne d’exploitation (exemple Figure 13) est établie par le concessionnaire et est soumise à  l’approbation des services de contrôle (DRIRE et SNRS). La consigne d’exploitation définit pour  chaque aménagement des lois hauteur/débit  Q(H) à respecter en des points de la retenue précis,  appelés « points de réglage ». La détermination de ces points et des lois Q(H) associées font l’objet  d’études hydrauliques tenant compte des caractéristiques de la retenue ainsi que des conditions  d’écoulement. Chaque retenue possède un ou deux points de réglage. La régulation du plan d’eau est assurée par  l’usine tant que le débit du Rhône est inférieur à son débit d’équipement. Au­delà, c’est le barrage  qui s’ouvre progressivement et qui assure la continuité de la régulation. 

Figure  13 : Aménagement de Pierre­Bénite, exemple de consigne d’exploitation  à un point de réglage.  Courbe hauteur/débit, CNR.

Pour les forts débits, il en résulte un effet de basculement normal du plan d’eau. À l’amont du  barrage le niveau s’abaisse et l’on pourrait croire à une vidange de la retenue alors que s’amorce la  crue. En réalité il n’en est rien, le niveau à l’amont du point de réglage monte progressivement dans  le respect de deux principes fondamentaux, à savoir : • la croissance progressive du volume de la retenue en fonction du débit • et la non­aggravation des niveaux observés avant aménagement dans les zones non protégées  contre les inondations (Figure 14). De même, le basculement du plan d’eau conduit à l’abaissement du niveau à l’amont de l’usine et à  l’exhaussement de son niveau aval. La chute disparaît progressivement et la production électrique  devient marginale. Cependant, sauf exception, l’usine reste en fonctionnement, non plus dans un  objectif de production hydroélectrique, mais seulement pour soulager le Vieux­Rhône d’une partie  du débit. Pour certaines usines (principalement sur le Haut Rhône), le débit est réduit voire annulé,  pour permettre aux principales zones d’expansion des crues de conserver leur rôle d’écrêtement  (marais de Lavours et de la Chautagne, plaine de Pierrelatte, …). Figure 14: Basculement du plan d’eau lors d’une crue, ZABR.

 5  L

A

 

MODÉLISATION

 

HYDRO

­

SÉDIMENTAIRE

 

DU

 R

HÔNE Le but de notre étude dans le cadre de ce projet étant de mettre au point un outil numérique pour  analyser le transport de sédiments sur le Rhône de la frontière franco­suisse à la confluence avec  l’Isère, nous avons réalisé une modélisation hydraulique et sédimentaire multi­biefs du Rhône.  Notre projet se décompose en trois études comprenant le modèle global du Rhône ainsi que deux  sous­modèles sur nos sites d’études pilotes : • le modèle global du Rhône français jusqu'à l'Isère, • le site pilote de Miribel­Jonage, • le site pilote de la lône du Beurre. Les « sous­modèles » effectués sur les zones de Miribel­Jonage et de la lône du Beurre ont par la  suite   été   ré­intégrés   au   modèle   global   pour   le   compléter.   De   ces   trois   études   découlent   trois  modélisations hydrauliques et sédimentaires. Chacune de ces études fait également l’objet d’un  rapport détaillé dont on trouvera ci­dessous les grandes lignes (cf. paragraphes 5.3, 5.4, 5.5). Par la  suite, le modèle globale du Rhône français pourra être aisément mis à jour et complété par des  données   complémentaires   en   détaillant   des   zones   particulières   (affluents,   confluences,   lônes,  casiers, etc.).

La modélisation se fait en utilisant un logiciel de simulation hydraulique mono­dimensionnelle  d’écoulement en rivière (Code de calcul Mage, Cemagref 2009) couplé à un modèle d’advection­ dispersion   pour   simuler   le   transport   de   sédiments   (Code   de  calcul   Adis­TS,  Irstea   2012).  Ces  modèles présentent l’avantage d’une résolution rapide ce qui permet de simuler des événements de  longues durées (plusieurs années et dizaines d’années) sur un long bief (plusieurs centaines de  kilomètres, dans notre cas 300 km).

 5.1 

M

ODÈLE

 

HYDRAULIQUE

 1D : M

AGE

MAGE  est   un   logiciel   de   simulation   mono­dimensionnelle   d’écoulement   en   rivière   en   régime 

transitoire. Son domaine d’application privilégié est la simulation des crues et des zones inondées.  Les équations utilisées sont les équations de Barré de Saint­Venant unidimensionnelles avec la  formule de perte de charge de Manning­Strickler qui s’expriment comme suit : conservation de la masse ∂ S_{∂ t} + ∂ Q ∂ x =qlat (1) équation dynamique ∂ Q_{∂ t} + ∂ ∂ x(β Q²S )+gS ∂ z∂ x=−gS (J + Js)+kqlatV (2) Avec : t le temps, x l’abscisse en long, S la section mouillée, Q le débit, Z la cote de la surface libre, 

V  la vitesse moyenne (V = Q/S),  β  le coefficient de quantité de mouvement (Boussinesq),  g  la 

gravité, J les pertes de charge linéaires par frottement, Js pertes de charge singulières (élargissement 

ou rétrécissement brusques),  q  les pertes ou apports latéraux par unité de longueur (en m2_/s : 

ruissellement, pluie, déversements, échanges avec le lit majeur) et  k  un coefficient dépendant du  signe de qlat (k = 1 si qlat < 0, k = 0 si qlat ≥ 0).

MAGE prend en compte la géométrie réelle du lit de la rivière définie par des profils en travers et 

utilise une modélisation géométrique de la rivière en lit composé – mineur, moyen (majeur actif) et  majeur de stockage – avec calcul de la répartition des débits en utilisant les équations Debord 

chenal (lit mineur) et le lit moyen, respectivement (Figure 15). Il est également possible de définir  des casiers de stockage pour modéliser des plaines d’inondations où la vitesse de l’écoulement est  supposée négligeable, ce qui permet la modélisation des échanges entre zones d’écoulement et  zones de stockage. La topologie du réseau peut être maillée ce qui permet de représenter des  confluences, des  diffluences  (îles) et des conditions aval multiples (deltas).  La discrétisation des  équations de Barré de Saint­Venant est faite selon un schéma aux différences finies semi­implicite à  quatre points (schéma de Preissmann).

 5.2 

M

ODÈLE

 1D 

D

’

ADVECTION

­

DIFFUSION

 : A

DIS

­TS

 5.2.1  DESCRIPTION GÉNÉRALE DU MODÈLE

ADIS­TS résout l’équation classique d’advection­dispersion : ∂(S C ) ∂t + ∂(C Q) ∂x = ∂∂x

(

S Df ∂C ∂x

)

+(P−D)W +qlatClat (3) avec Df le coefficient de dispersion longitudinal, P le taux de reprise, D le taux de déposition, W la 

largeur de la rivière en eau, et  Clat  la  concentration de sédiments  fins  si  qlat  > 0. L’équation de 

conservation de la masse permet de calculer la masse   M _fs=ρ_s(1 − p)SfsL  de sédiments fins 

disponible dans la section et sa distribution à travers la section (ρs ≈ 2650 g/l est la masse volumique 

des sédiments,  Sfs  est la section en travers du dépôt de sédiment,  p  la porosité du dépôt  et  L  la 

longueur de la section). Ce dépôt est hypothétique étant donné que le modèle ne prend pas en  compte l’évolution du fond du lit.

La description ci­dessus est faite pour une classe de dépôt avec des caractéristiques fixes (la taille de  grain, la vitesse, …). Le modèle peut prendre en compte un mélange de plusieurs classes.

 5.2.2  CALCUL DES TERMES SOURCES POUR UN LIT COMPOSÉ

En première approximation, on suppose le dépôt uniforme sur le lit majeur et le lit mineur. Les taux  de dépôt et d’érosion de l’équation 3 peuvent être estimés ensemble comme suit (voir aussi Figure  15) : (P−D)W =a_PDe_{disp , m}(C_{eq ,m}−C)Ws Hm W_m+a_PDe_{disp, M}(C_{eq , M}−C) Ws HM W_M (4)

Figure  15:  Représentation schématique d’une rivière à lits composés. Les indices  m  et  M  correspondent  respectivement au lit mineur et lit majeur.

où aPD est un coefficient de calage, edisp,m/M un coefficient indiquant la disponibilité de dépôt dans le 

canal (edisp,m/M = 0 si il y a  érosion et si  Mfs,m/M = 0  ;  edisp,m/M = 1  sinon),  Ceq,m/M  la concentration 

d’équilibre, Ws la vitesse de chute du sédiment, Hm/M la profondeur moyenne dans le lit mineur / lit 

majeur et Wm/M est la largeur mouillée du lit mineur / lit majeur. On considère ici la concentration C 

homogène dans toute la section. Finalement, il y a érosion si la concentration d’équilibre  Ceq  est 

supérieur à la moyenne de la concentration C calculée grâce au modèle ; il y a dépôt si Ceq< C.

La concentration d’équilibre dans les lits mineurs et majeurs Ceq,m/M peut être estimée en fonction de 

la contrainte de cisaillement τm/M calculée par le modèle, comme suit :

C_{eq ,m/ M}=a_C

(

τ_τm/ M

cr −1

)

bC

(5)

où  aC  et  bC  sont des paramètres de calage (bC   = 1 comme première approximation, cf. Camenen, 

2011).

Voici les caractéristiques des trois coefficients à fixer dans le cadre de la modélisation : 

• apd = 0,1 : coefficient de la loi de dépôt­érosion,

• ac = 0,001  :   coefficient   de   la   loi   pour   la   concentration   à   l’équilibre  ;   homogène   à   une 

concentration, • bc = 1 : exposant de la loi pour la concentration à l’équilibre. Les valeurs données ici sont issues d’un premier calage réalisé sur une chasse des barrages de l’Arc  en Maurienne. Une validation plus rigoureuse serait nécessaire mais nécessite un jeu de données  (topographie et sédimentaire) très détaillé en temps et espace. Des améliorations sont donc toujours  possibles même si les premiers résultats obtenus restent tout à fait cohérents.

 5.2.3  CALCUL DU COEFFICIENT DE DISPERSION

Il est possible d'utiliser quatre méthodes différentes d'évaluation des coefficients de dispersion dans  Adis­TS. On peut utiliser différentes méthodes pour chacune des parties du modèle au cours d'une  même simulation. Chaque méthode utilise un coefficient de proportionnalité qui sert de coefficient  de calage. Les trois premières méthodes proposées consistent en une application de formules semi­ empiriques : Elder (1959),   Ficher (1967) et Iwasa & Aya (1991). Chacune de ces formules peut  s’écrire de la forme suivante (Camenen, 2011) : D_f H_{m/ M}U_{* m/ M}=a

(

U_{m/ M} U_{* m/ M}

)

b

(

W_{m / M} H_{m / M}

)

c (6) où a, b et c sont des paramètres de calage variant selon les auteurs, Um/M la vitesse moyenne dans le 

lit   mineur   /   lit   majeur,    U*m/M  la   vitesse   de   frottement   dans   le   lit   mineur   /   lit   majeur   (

U_{* m/ M}=

_√

τ_{m/ M}/ρ_).

Tableau 1: Coefficients a, b et c pour les formules du coefficients de dispersion.  

Formules Coefficient a Coefficient b Coefficient c

Elder (1959) 100 0 0

Fisher (1967) 0,011 2,0 2,0

La quatrième méthode utilise un coefficient de dispersion constant. Dans ce cas, le coefficient de  dispersion est la valeur fournie par l’utilisateur, il ne dépend d’aucune variable provenant des  conditions d’écoulement. Le coefficient de dispersion final est toujours la somme du coefficient de 

diffusion moléculaire (fixé à 10­6 _m2_{/s) et du coefficient fourni par la formule de calcul choisie.}

 5.3 

S

ITE

 

PILOTE

 

DE

 M

IRIBEL

­

JONAGE

La problématique principale liée au site de Miribel­Jonage est l’impact des chasses sur la zone et le  potentiel colmatage du fond du lit. La conséquence d’un colmatage et la diminution de l’infiltration  d’eau et donc la diminution de la recharge de la nappe phréatique. Cette étude a été réalisée en partenariat avec le Grand Lyon et Véolia qui exploite la zone de captage  d'eau potable.  (a) (b) Figure 16 : Localisation (a) et description du site pilote de Miribel­Jonage (Geoportail) Le système de Miribel­Jonage est une ancienne zone de divagation du Rhône. Elle se situe dans une  zone de faible pente qui a été chenalisée en un système complexe de plusieurs bras (Figure  16).  Dans cette zone sont localisés plusieurs ouvrages hydrauliques sur différents bras, ainsi que des  captages d’eau potable assurant 80 % de l’alimentation en eau potable de la ville de Lyon. Nous nous sommes préoccupés du risque de dépôt de sédiment dans le Vieux­Rhône (situé au cœur  des captages d’eau potable), lors d’une chasse du Rhône. En utilisant le modèle numérique 1D  Mage de Irstea, l’objectif a été de définir la meilleure gestion possible des ouvrages hydrauliques 

pour   minimiser   le   dépôt   de   sédiments   sur   la   zone   de   captage.   Deux   principales   options   sont  proposées :

• minimiser l’entrée de matières en suspension (MES) en diminuant le débit entrant dans le 

Vieux­Rhône le temps de la chasse,

• minimiser le dépôt de sédiments dans le Vieux­Rhône en augmentant la vitesse.

Chacun   de   ces   scénarios   requiert   une   gestion   spécifique   des   ouvrages   hydrauliques   et   la  modification ou construction de nouveaux ouvrages peut être envisagée (voir Andries et al., 2012,  pour plus de détails).

 5.4 

S

ITE

 

PILOTE

 

DE

 

LA

 

LÔNE

 

DU

 

BEURRE

L’île du Beurre, se trouve à proximité de la ville de Condrieu, à 10 km au sud de Vienne.  (a) (b) Figure 17 : Localisation (a) et description (b) du site pilote de la lône du Beurre (Geoportail) À ce niveau, le Rhône, d’une largeur moyenne de 200 m, présente deux bras secondaires en rive  droite appelés lônes. Ces voies d’eau secondaires délimitent deux îlots, l’île du Beurre et l’île de la  Chèvre (Figure 17). On distingue la grande lône (ou lône de la Chèvre) qui s’étend sur près de 2700  m le long du chenal principal et la petite lône (ou lône du Beurre), qui évolue transversalement au  Rhône sur 350 m. C'est un site suivi de près par le Centre d’Observation de la nature de l’île du  Beurre, où de nombreux relevés sont effectués pour connaître la quantité de dépôt ainsi que sa  composition : plusieurs carottages on été effectués sur la zone. L'intérêt de cette zone d'étude est 

donc de recouper les informations entre plusieurs axes du projet Axelera, entre les analyses des  carottes et l'étude sédimentaires.

Nous avons donc travaillé en collaboration avec le Centre d’Observation de la Nature de l’île du  Beurre, qui nous a fourni de nombreuses données pour ce travail, ainsi qu'avec Artelia et le Cerege  (voir Camenen et al., 2012, pour plus de détails).

 5.5 

M

ODÈLE

 

DU

 R

HÔNE

 

DE

 

LA

 

FRONTIÈRE

 S

UISSE

 

À

 

L

'I

SÈRE

La construction de ce modèle est l’objet du présent rapport, et s’articule en trois grandes étapes : • Recueil des données : il a fallu dans un premier temps recueillir le maximum d’informations  topographiques sur le cours d’eau, et les traiter en conséquence pour réaliser la modélisation  hydraulique du Rhône ; puis recueillir les données hydrologiques pour chacun des affluents ;  et enfin rassembler des données sédimentaires pour caractériser la composition en MES du  Rhône et de ses affluents. • Mise en place du modèle hydraulique : la deuxième étape a ensuite consisté à paramétrer et  caler le modèle hydraulique pour s’approcher au plus près du fonctionnement effectif du  Rhône et de ses aménagements. • Mise en place du modèle sédimentaire : enfin, nous avons couplé le modèle hydraulique au  modèle de transport de sédiment, pour lequel il a fallu renseigner les informations sur les  caractéristiques des sédiments rencontrés dans le Rhône et ses affluents (diamètre, masse  volumique…) ainsi que leurs flux (concentrations de sédiments mesurées lors de crue mais  également en temps normal ou d’étiage). La description technique et complète du travail sur la modélisation hydro­sédimentaire du Rhône est  développée dans les paragraphes suivants.